CN114076573B

CN114076573B - 等效元件、等效元件的制备方法、检测精度校验方法

Info

Publication number: CN114076573B
Application number: CN202111324680.9A
Authority: CN
Inventors: 胡海翔; 张学军; 徐凯; 张志宇; 薛栋林
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-11-10
Also published as: CN114076573A

Abstract

本发明适用于自由曲面测量领域，公开了等效元件、等效元件的制备方法、检测精度校验方法，检测精度校验方法通过两种方法检测大口径自由曲面元件的精度，并且利用尺寸小于被检元件的等效元件代替大口径自由曲面元件进行精度检测，使得检测精度校验方法可以使用能够达到纳米检测精度但是检测口径受限的检测方法(如轮廓测量法)对尺寸规格较大的被检元件进行检测，从而使得大口径自由曲面元件检测能够得到纳米精度校验。

Description

等效元件、等效元件的制备方法、检测精度校验方法

技术领域

本发明涉及自由曲面测量领域，尤其涉及等效元件、等效元件的制备方法、检测精度校验方法。

背景技术

大口径自由曲面元件的加工检测环节复杂繁多，包括粗磨、精磨、抛光、镀膜等加工环节和样板检测、自准直检测等检测环节。为了校验被检元件面形检测精度，提高检测结果的置信度，通常采用两种在原理上相互独立的方法分别对被检元件进行面形检测。现有检测精度校验技术方案中，一种方法是CGH干涉检测法，另一种方法通常采用补偿镜干涉检测法或轮廓测量法。通过对比分析两者检测结果，从而校验自由曲面元件面形的检测精度。

CGH干涉检测法是目前大口径自由曲面反射镜面形误差的重要检测方法之一。它的基本原理是利用计算机辅助生成的全息图(Computer Generated Holograms，CGH)制作的衍射光学元件CGH检具，将干涉仪出射光的波面调制成理想波面入射到被检元件上，通过反射回干涉仪的检测波与参考波干涉得到被检元件的面形误差信息。CGH检具制作简单、装调方便，且理论上可以生成任意形状的理想波前，从而实现对被检元件像差的补偿，因此广泛应用于自由曲面元件的光学干涉检测。

补偿镜干涉检测法是应用较为广泛的非球面反射镜面形误差检测方法之一，常见的补偿镜类型有Offner补偿镜、Dall补偿镜和Shafer补偿镜等。它的基本原理是采用几片球面透镜将干涉仪发出的球面波转换为与被检元件非球面相匹配的非球面波，入射到被检元件上。通过反射回干涉仪的检测波与参考波干涉得到被检元件非球面的面形误差信息，从而实现对非球面反射镜面形精度的零位检测。补偿镜干涉检测法在原理上与CGH干涉检测法完全独立，因此通常被用来辅助校验反射镜面形检测精度。

轮廓测量法是基于空间坐标三维测量进行面形误差检测的方法，也常用于辅助面形检测精度校验。如欧洲的LuphoScan测量平台、Nanomefos测量工具等产品，对浅度自由曲面的检测精度可达到5nmRMS。

然而采用补偿镜干涉检测法或轮廓测量法存在以下问题：

第一，补偿镜干涉检测法适用范围小。补偿镜干涉检测法一般适用于旋转对称非球面的检测，无法检测无回转对称性的自由曲面，导致现有技术无法校验无回转对称性的自由曲面的检测精度。

第二，补偿镜的制造成本高，装调难度大，检测效率低。随着反射镜口径增大，与之对应的补偿镜口径也随之增大。这增加了补偿镜的制造成本和装调难度，影响了补偿镜的制造精度，限制了补偿镜干涉检测法的应用。

第三，轮廓测量法的检测精度与行程相互制约。目前，具有纳米精度检测能力的轮廓检测设备，能够检测的工件尺寸小于

无法对

及以上的大口径自由曲面进行测量。这导致现有技术无法对

量级及以上大口径自由曲面元件进行纳米精度校验。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种等效元件，其能够用于代替大口径自由曲面元件进行精度检测。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

等效元件，所述等效元件被配置为用于代替大口径自由曲面元件进行精度检测，所述等效元件的尺寸小于被检元件的尺寸，且所述等效元件具有依据所述被检元件面形等价性变换的等效面形。

优选地，所述等效面形的关系式如下：

P(x，y，z)：z＝f(x，y)，(x，y)∈D

式中，P表示被检元件曲面三维坐标点云，Q表示等效曲面点云，D表示被检元件口径区域，f(x，y)表示C2类自由曲面的面形表达，n表示方向矢量，

表示自由曲面面形的一阶微分，d表示参数，且d为标量，且d为标量，d的取值范围如下：

式中，

a＝EG-F².b＝LG-2MF+NE.c＝LN-M²

E＝1+p²，F＝pq，G＝1+q².

式中，a、b、c表示定义参数，E、G、F表示曲面的第一类基本量，L、M、N表示曲面的第二类基本量，p、q表示自由曲面面形的一阶微分，r、s、t表示自由曲面面形的二阶微分。

本发明提供的等效元件具有依据所述被检元件面形等价性变换的等效面形，能够代替大口径自由曲面元件进行精度检测，且其尺寸远小于被检元件，使得检测精度校验方法可以使用能够达到纳米检测精度但是检测口径受限的检测方法(如轮廓测量法)对尺寸规格较大的被检元件进行检测，从而使得大口径自由曲面元件检测能够得到纳米精度校验。

本发明的第二个目的在于提供一种等效元件制备方法，其制备精度高，能够得到等效面形精度与CGH检具精度基本一致的等效元件。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

等效元件制备方法，用于制备如上所述的等效元件，所述等效元件制备方法包括如下步骤：

步骤S11，提供干涉仪、空间滤波器、CGH检具和被检元件，CGH检具根据被检元件的理想面形信息制造；

步骤S12，使用所述干涉仪、所述空间滤波器、所述CGH检具和所述被检元件搭建面形检测光路，所述干涉仪、所述空间滤波器、所述CGH检具和所述被检元件沿光路依次设置；

步骤S13，获取所述被检元件在所述CGH检具与所述被检元件之间的预设位置处的等价性变换的等效面形；

步骤S14，根据所述等效面形加工所述等效元件并检测所述等效元件的加工精度，所述等效元件的等效面形精度与所述CGH检具的精度基本一致。

优选地，步骤S14中，采用超精密车削、光学铣磨、光学研磨、光学抛光、离子束、磁流变任意一种加工方法将所述等效面形按照一定的精度加工在所述等效元件上。

优选地，步骤S14中，采用坐标轮廓测量、自准直仪测量、波面干涉测量任意一种检测方法检测所述等效元件的加工精度。

优选地，步骤S14，采用迭代加工方法加工所述等效元件以使所述等效元件的所述等效面形精度与所述CGH检具的精度基本一致。

优选地，所述等效元件与所述CGH检具的精度比范围为0.2～5，所述等效元件与所述被检元件的精度比范围为1～10。

本发明提供的等效元件制备方法简单有效，能够得到具有依据被检元件面形等价性变换的等效面形的等效元件，以便于代替大口径自由曲面元件进行精度检测。

本发明的第三个目的在于提供一种检测精度校验方法，其通过检测等效元件代替直接检测被检元件，使得检测精度校验方法可以使用能够达到纳米检测精度但是检测口径受限的检测方法(如轮廓测量法)对尺寸规格较大的被检元件进行检测。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

检测精度校验方法，用于校验大口径自由曲面元件的检测精度，所述检测精度校验方法包括以下步骤：

步骤S10，提供等效元件，所述等效元件的尺寸小于被检元件的尺寸，且所述等效元件具有依据所述被检元件面形等价性变换的等效面形；

步骤S20，利用第一检测方法对所述等效元件的精度进行检测，获得第一检测结果；

步骤S30，利用检测原理与所述第一检测方法的检测原理不同的第二检测方法对所述等效元件的精度进行检测，获得第二检测结果；

步骤S40，对比分析所述第一检测结果与所述第二检测结果，得到检测校验精度结果。

优选地，所述等效元件的制备方法包括如下步骤：

优选地，所述第一检测方法为CGH干涉检测法，所述第二检测方法为轮廓测量法。

优选地，定义所述检测校验精度结果用R表示，所述第一检测结果用Q₁表示，所述第二检测结果用Q₂表示，则

R＝g(Q₁(x,y)-Q₂(x,y)).

式中，g为统计函数。

本发明提供的检测精度校验方法具有以下优点：

第一，检测精度校验方法通过两种检测原理不同的检测方法对等效元件进行检测，并对比分析两者获得的等效元件的面形检测结果，从而校验大口径自由曲面元件面形的检测精度。

第二，检测精度校验方法通过检测等效元件代替直接检测被检元件，使得检测精度校验方法可以使用能够达到纳米检测精度但是检测口径受限的检测方法(如轮廓测量法)对尺寸规格较大的被检元件进行检测，从而使得大口径自由曲面元件检测能够得到纳米精度校验。

第三，等效元件尺寸小、装调简单，降低了检测成本，提高了检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的检测精度校验方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的等效元件制备方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的制备等效元件搭建的光路图；

图4是本发明实施例提供的面形检测光路。

附图标号说明：

1、等效元件；11、等效面形；2、被检元件；3、干涉仪；4、空间滤波器；5、CGH检具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图4所示，其为本发明的一种实施例的检测精度校验方法，用于校验大口径自由曲面元件的检测精度，大口径自由曲面元件可以是反射镜、透镜等光学元件。

请参阅图1-图4，本发明实施例的检测精度校验方法，包括以下步骤：

步骤S10，提供等效元件，等效元件的尺寸小于被检元件的尺寸，且等效元件具有依据被检元件面形等价性变换的等效面形。

步骤S20，利用第一检测方法对等效元件的精度进行检测，获得第一检测结果。

步骤S30，利用检测原理与第一检测方法的检测原理不同的第二检测方法对等效元件的精度进行检测，获得第二检测结果。

步骤S40，对比分析第一检测结果与第二检测结果，得到检测校验精度结果。若两种检测结果相差在一定误差允许范围内，则认为两种检测结果可以互相验证。若两种检测结果相差较大，则采用包括但不限于非同源非等精度误差处理等方法对加工及检测过程引入的误差进行特征分析以校正检测结果，得出等效元件面形的最终精度。然后结合等效元件面形与大口径自由曲面之间的误差对应关系，完成大口径自由曲面的面形检测精度校验。

本发明实施例的检测精度校验方法具有以下优点：

优选地，等效元件的等效面形的关系式如下：

P(x，y，z)：z＝f(x，y)，(x，y)∈D

式中，P表示被检元件曲面三维坐标点云，Q表示等效曲面点云，D表示被检元件口径区域，f(x，y)表示C2类自由曲面的面形表达，d表示参数，n表示方向矢量，

表示自由曲面面形的一阶微分。

其中，d为标量，一般对于凹曲面，d取值越大，等效元件口径越小。然而，d的取值范围受到一定限制：

式中，

a＝EG-F²，b＝LG-2MF+NE，c＝LN-M²

E＝1+p²，F＝pq，G＝1+q².

优选地，等效元件的制备方法如下：

步骤S11，提供干涉仪、空间滤波器、CGH检具，CGH检具根据被检元件的理想面形信息制造。

步骤S12，使用干涉仪、空间滤波器、CGH检具和被检元件搭建面形检测光路，干涉仪、空间滤波器、CGH检具和被检元件沿光路依次设置。

步骤S13，获取被检元件在CGH检具与被检元件之间的预设位置处的等价性变换的等效面形。

步骤S14，根据等效面形加工等效元件并检测等效元件的加工精度，等效元件的等效面形精度与CGH检具的精度基本一致。

可选地，等效元件材料包括但不限于光学玻璃、光学陶瓷、铝合金等。

可选地，采用包括但不限于超精密车削、光学铣磨、光学研磨、光学抛光、离子束、磁流变等加工方法将等效面形按照一定的精度加工在等效元件上。

可选地，采用迭代加工方法，保证等效元件的等效面形精度应与CGH检具的精度基本一致。

一般地，等效元件与CGH检具的精度比优选为0.2～5之间，等效元件与被检元件的精度比优选为1～10之间。

可选地，等效元件的加工精度的检测方法包括但不限于坐标轮廓测量、自准直仪测量、波面干涉测量等。

需要说明的是，等效面形在被检元件的检测光路中的具体位置是在综合考虑被检面形复杂程度、与CGH检具及被检元件的精度比、等效面形的加工难易程度等约束因素的前提下，通过多目标优化方法确定的，其中建立的多目标优化模型如下：

min F(X)＝[f₁(x),f₂(x),...,f_n(x)]^T

s.t.g_i(x)≤0,i＝1,2,...,p

h_j(x)＝0,j＝1,2,...,q

式中，F(X)表示多目标优化函数，f_i(x),{i＝1,2,...,n}表示目标函数，g_i(x)和h_j(x)表示约束函数，x＝{x₁,x₂,...,x_n}^T表示n维的设计变量，X＝{x|x∈Rⁿ,g_i(x)≤0,h_j(x)＝0,i＝1,2,...,p,j＝1,2,...,q}表示设计变量的可行域。

可以理解地，第一检测方法可以是CGH干涉检测法，第二检测方法可以是补偿镜干涉检测法或轮廓测量法，根据被检元件的特征和尺寸规格选择，例如，被检元件为无回转对称性的自由曲面，则可以选择轮廓测量法，由于过程中，通过检测等效元件代替直接检测被检元件，因此，即使是大口径的被检元件也可以通过轮廓测量法检测。

在此基础上，步骤S20中，利用第一检测方法对等效元件的精度进行检测的包括使用干涉仪、空间滤波器、CGH检具和等效元件搭建面形检测光路。其中，CGH检具根据被检元件的理想面形信息制造。

干涉仪出射光的波面经过空间滤波器被CGH检具调制成理想波面入射到被检元件的镜面上，经过镜面的反射和CGH检具的再次调制之后作为检测波反射回干涉仪中，检测波与干涉仪中的参考波干涉得到被检元件的面形误差信息。

步骤S40中，定义检测校验精度结果用R表示，第一检测结果用Q₁表示，第二检测结果用Q₂表示，则

R＝g(Q₁(x，y)-Q₂(x，y))

式中，g为统计函数，一般为PV或RMS统计函数、或计算PSF、PSD、MTF等函数。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.等效元件，所述等效元件被配置为用于代替大口径自由曲面元件进行精度检测，其特征在于，所述等效元件的尺寸小于被检元件的尺寸，且所述等效元件具有依据所述被检元件面形等价性变换的等效面形；

所述等效面形的关系式如下：

P(x，y，z)：z＝f(x，y)，(x，y)∈D

表示自由曲面面形的一阶微分，d表示参数，且d为标量，d的取值范围如下：

式中，

a＝EG-F²，b＝LG-2MF+NE，c＝LN-M²

E＝1+p²，F＝pq，G＝1+q²·

2.等效元件制备方法，用于制备如权利要求1所述的等效元件，其特征在于，所述等效元件制备方法包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的等效元件制备方法，其特征在于，步骤S14中，采用超精密车削、光学铣磨、光学研磨、光学抛光、离子束、磁流变任意一种加工方法将所述等效面形按照一定的精度加工在所述等效元件上。

4.如权利要求2所述的等效元件制备方法，其特征在于，步骤S14中，采用坐标轮廓测量、自准直仪测量、波面干涉测量任意一种检测方法检测所述等效元件的加工精度。

5.如权利要求2所述的等效元件制备方法，其特征在于，步骤S14，采用迭代加工方法加工所述等效元件以使所述等效元件的所述等效面形精度与所述CGH检具的精度基本一致。

6.如权利要求2所述的等效元件制备方法，其特征在于，所述等效元件与所述CGH检具的精度比范围为0.2～5，所述等效元件与所述被检元件的精度比范围为1～10。

7.检测精度校验方法，用于校验大口径自由曲面元件的检测精度，其特征在于，所述检测精度校验方法包括以下步骤：

步骤S10，提供权利要求1所述的等效元件，所述等效元件的尺寸小于被检元件的尺寸，且所述等效元件具有依据所述被检元件面形等价性变换的等效面形；

8.如权利要求7所述的检测精度校验方法，其特征在于，所述等效元件的制备方法包括如下步骤：

9.如权利要求7所述的检测精度校验方法，其特征在于，所述第一检测方法为CGH干涉检测法，所述第二检测方法为轮廓测量法。

10.如权利要求7所述的检测精度校验方法，其特征在于，定义所述检测校验精度结果用R表示，所述第一检测结果用Q₁表示，所述第二检测结果用Q₂表示，则

R＝g(Q₁(x,y)-Q₂(x,y)).

式中，g为统计函数。